JP2007245954A - 燃料電池自動車の前部構造 - Google Patents

Abstract

【課題】衝突安全性を確保することが可能な燃料電池自動車の前部構造を提供する。
【解決手段】燃料電池１と燃料電池１の発電電力によって駆動する駆動モータ３２とを車両前部のモータ室１０２内に搭載し、車両前後方向に延びる左右のサイドフレーム５０，５０の後部領域を車幅方向に繋ぎ、燃料電池１を上側に支持する支持フレーム６０を設け、支持フレーム６０よりも下側に駆動モータ３２を設けた。また車両の前面衝突時には、駆動モータ３２を支持フレーム６０の後方下側に案内する案内フレーム６９を支持フレーム６０に設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池自動車の前部構造に関するものである。

燃料電池自動車の開発が進められている。燃料電池自動車は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池を備え、その発電電力でモータを駆動して走行するものである。

燃料電池自動車では、燃料電池システムの構成部材が車両中央のフロア下に配置され、車両衝突時の安全が確保されている（例えば、特許文献１および２参照）。しかしながら、車両のフロア下に燃料電池等を配置することにより、車両の全高が高くなり、また車両の室内高が低くなってしまい、内燃機関自動車と同一骨格（プラットフォーム）を使用することが困難であった。また、車両のデザインや使い勝手等においても制約を受けてしまい、用途に合わせた車両の設計、開発が困難になってしまい、改良が求められていた。

そこで特許文献３には、電気自動車のフロント部に燃料電池を搭載する構成が記載されている。この構成では、車両衝突時に、フレームサイドメンバのエネルギ吸収部が上に凸となるよう屈曲変形し、燃料電池の収納ケースもエネルギ吸収部と同方向に屈曲変形する。これに伴って、燃料電池はその中央の積層面で２つに分離し、破壊して衝突エネルギの一部を吸収する。
特開２００４−１２２９７２号公報 特開２００３−１８２３７８号公報 特開平８−１９２６３９号公報

しかしながら、特許文献３の技術では、フレームサイドメンバによる衝突エネルギの吸収を妨げないよう燃料電池を積極的に変形させるため、燃料電池からの水素漏れや高圧電流の漏電等が発生するおそれがある。その結果、車両の衝突安全性を確保することが困難になるという問題がある。
そこで本発明は、衝突安全性を確保することが可能な燃料電池自動車の前部構造の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）と前記燃料電池の発電電力によって駆動する電動機（例えば、実施形態における駆動モータ３２）とを車両前部のモータ室（例えば、実施形態におけるモータ室１０２）内に搭載し、車両前後方向に延びる左右のサイドフレーム（例えば、実施形態におけるサイドフレーム５０）の後部領域を車幅方向に繋ぎ、前記燃料電池を上側に支持する支持フレーム（例えば、実施形態における支持フレーム６０）を設け、前記支持フレームよりも下側に前記電動機を設けたことを特徴とする。

また請求項２に係る発明は、車両の前面衝突時には、前記電動機を前記支持フレームの下側後方に案内する案内手段（例えば、実施形態における案内フレーム６９）を前記支持フレームに設けたことを特徴とする。
請求項２に係る発明によれば、車両の前面衝突時において、電動機を支持フレームの下側後方に案内する案内手段を設けたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、支持フレームの形成領域において、車両の前面衝突時における変形が防止されるので、燃料電池を保護することができる。また燃料電池と電動機とを支持フレームの上下に配置したので、電動機の進入による燃料電池の損傷を防止することができる。

請求項２に係る発明によれば、車両の前面衝突時において、電動機を支持フレームの下側後方に案内することができるので、電動機の進入による燃料電池の損傷を確実に防止することができ、また電動機を支持フレームの下側後方に案内することができるので、衝突ストロークを確保することができる。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
（燃料電池システム）
図１は、燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池１は、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るタイプのものであり、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとの間に挟み込んでセルを形成し、そのセルを複数積層して構成されている。そして、アノード側の燃料ガス流通路５に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側の酸化剤ガス流通路６に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給する。すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードにおいて酸素と電気化学反応を起こす。これにより、燃料電池１において発電がなされる。
この燃料電池１の発電電力によって、駆動モータ（電動機）３２が駆動される。なお電子制御装置（ＥＣＵ）３０は、アクセル信号やブレーキ信号等に基づいて、燃料電池１における発電制御を行う。

燃料電池１に供給される空気は、サイレンサ２により消音され、エアクリーナ３によって不純物が取り除かれる。その後、スーパーチャージャなどのエアコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１の酸化剤ガス流通路６に供給される。燃料電池１に供給された空気は、発電に供された後、カソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、圧力制御弁１０を介して希釈装置２８へ供給される。

一方、水素タンク１５から供給される水素ガスは、水素ガス供給流路１７、遮断弁２０を流通し、レギュレータ１６によって所定圧力に減圧され、エゼクタ１９を通って燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される。なお消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路１８を通ってエゼクタ１９に吸引される。そして、水素タンク１５から供給される新鮮な水素ガスと合流し、再び燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路１８、エゼクタ１９および水素ガス供給流路１７を通って、燃料電池１を循環する。

アノードオフガス流路１８からは、排出弁２１を備えたアノードオフガス排出流路２２が分岐している。排出弁２１は、燃料電池１を循環する水素ガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったときなど必要に応じて開き、アノードオフガスを排出する。排出弁２１から排出されたアノードオフガスは、前記希釈装置２８においてカソードオフガスによって希釈された後に排気される。

（燃料電池自動車の前部構造）
図２は、燃料電池自動車の前部フレーム構造の斜視図である。本実施形態の燃料電池自動車は、車両前後方向に延びる左右のサイドフレーム５０，５０の後部領域を車幅方向に繋ぐ、燃料電池支持フレーム（以下「支持フレーム」という。）６０を備えている。支持フレーム６０は、溶接やボルト等の固着手段によりサイドフレーム５０に連結されている。

支持フレーム６０は、車両左右方向に延びる左右ビーム６１，６２および斜め方向に延びる斜めビーム６６，６７で構成されている。まず、車両前方に第１左右ビーム６１が配置されている。その第１左右ビーム６１の中央部から、左右後方に向かって第１斜めビーム６６が延設され、その先端がサイドフレーム５０に連結されている。また第１斜めビーム６６の中間部から斜め前方に向かって第２斜めビーム６７が延設され、その先端もサイドフレーム５０に連結されている。なお、第２斜めビーム６７の先端部付近に、前記第１左右ビーム６１の端部が連結されている。さらに、一対の第１斜めビーム６６，６６の中間部を連結するように、車両後方に第２左右ビーム６２が設けられている。なお支持フレーム６０は、上述したビームレイアウトに限られず、様々なビームレイアウトによって構成することが可能である。

また本実施形態の燃料電池自動車では、車両の前面衝突時に駆動モータを支持フレーム６０の後方下側に案内する、一対の案内フレーム（案内手段）６９，６９が設けられている。各案内フレーム６９は、支持フレーム６０における第２左右ビーム６２の端部付近から車両の後方下側に向かって延設され、その先端はダッシュボードロアのトンネル部Ｔ（図３参照）に接続されている。なお案内フレーム６９も、上述したビームレイアウトに限られず、様々なビームレイアウトによって構成することが可能である。

図３は、燃料電池自動車の前部構造の側面図である。上述したサイドフレーム５０は、モータ室１０２内において高さ方向中間部付近に水平に配置され、その後方端部はダッシュボード５２に沿って車室の下側に延設されている。そのサイドフレーム５０と側面視において重なるように、上述した支持フレーム６０および案内フレーム６９が配置されている。

その支持フレーム６０の上側には、車両衝突時に潰してはならない部品が配置されている。その部品として具体的には、上述した燃料電池１や高圧電装ボックス３４等が配置されている。この高圧電装ボックス３４には、パワードライブユニット（ＰＤＵ）や高圧コントロールユニット（ＶＣＵ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ等が含まれている。ＰＤＵは、駆動モータ３２の駆動や回生動作を制御するものである。またＶＣＵは、ＰＤＵやエアコンプレッサ７に対して必要な電圧を供給するものである。またＤＣ／ＤＣコンバータは、高圧バッテリやキャパシタなどの蓄電装置（不図示）から取り出される電流値を制御するものである。

また支持フレーム６０の上側の前方には、車両衝突時に潰れやすく衝突エネルギの吸収を阻害しない部品が配置されている。その部品として具体的には、燃料電池１に供給される空気から不純物を取り除くエアクリーナ３等が配置されている。また車両の前方には、燃料電池１や駆動モータ３２等の冷却水を冷却するラジエータ４４が配置されている。

図４は、燃料電池自動車の前部構造の平面図である。上述したように、支持フレーム６０の上側には、燃料電池１および高圧電装ボックス３４が配置されている。また支持フレーム６０の上側の前方には、エアクリーナ３およびラジエータ４４が配置されている。

図３に戻り、車両前部のモータ室１０２内における支持フレーム６０の下側に、駆動モータ３２が配置されている。具体的には、支持フレーム６０の下側にサブフレーム７０が設けられている。そのサブフレーム７０の上側であって支持フレーム６０の下側には、車両衝突時に潰れにくい部品が配置されている。潰れにくい部品として具体的には、車輪１０６の駆動モータ３２や、前記エアコンプレッサ７、前記サイレンサ２等が設けられている。このサイレンサ２は、エアコンプレッサ７による給気音および排気処理装置からの排気音を低減するものである。また、ステアリングギアボックス４２等が配置されている。

図５は、図３のＡ−Ａ線における断面図である。図５に示すように、サブフレーム７０は額縁状に形成され、モータ室の底部に配置されている。そのサブフレーム７０の前方端部７２は、図示しない取付部材を介してサイドフレーム５０に接続され、サブフレーム７０の後方端部７４は、クロスメンバ５４に接続されている。そのサブフレーム７０の上側に、上述した駆動モータ３２、エアコンプレッサ７、サイレンサ２、ステアリングギアボックス４２およびフロントサスペンション部品等が装着されている。

図３に戻り、サイドフレームを車幅方向に繋ぐ支持フレーム６０の形成領域では、車両の前面衝突時における変形が防止される。そのため、支持フレーム６０の上側に配置された燃料電池１や高圧電装ボックス３４等の部品を、車両の前面衝突時において変形させずに保護することができる。その結果、燃料電池１からの水素漏れや高圧電装ボックス３４からの高圧電流の漏電等を防止することができる。

一方、支持フレーム６０の前方領域では、車両が前面衝突時に変形して衝突エネルギを吸収する。その際、支持フレーム６０の前方上側に配置されたラジエータ４４やエアクリーナ３等の部品は、車両衝突時に潰れやすく衝突エネルギの吸収を阻害しない。
その車両の変形とともに、底部に配置されたサブフレーム７０は車両後方に移動する。その際、サブフレーム７０に搭載された駆動モータ３２が案内フレーム６９の下面に沿って案内される。その結果、搭載部品を含むサブフレーム７０の全体が、図３に二点鎖線７０ｂで示すように車両後方下側に落とされる。これにより、車両の前面衝突時における衝突ストロークを確保することができる。

本実施形態では、燃料電池１や高圧電装ボックス等の潰してはならない部品と、駆動モータ３２等の潰れにくい部品とが、支持フレーム６０の上下に配置されている。また車両の前面衝突時には、駆動モータ３２等が支持フレーム６０の後方下側に案内される。これにより、車両の前面衝突時において駆動モータ３２等の進入による燃料電池１等の損傷を防止することができる。その結果、燃料電池１からの水素漏れや、高圧電装ボックス３４からの高圧電流の漏電等を防止することができると共に、車両前面衝突時における衝突ストロークを確保することができる。
以上により、本実施形態に係る燃料電池自動車の前部構造によれば、車両の前面衝突時における衝突安全性を確保することができる。

また本実施形態では、燃料電池１を、車両中央のフロア下ではなく、車両前部のモータ室内に配置した。これにより、車両の全高を抑えることが可能になり、また車両の室内高を高くすることができる。そのため、内燃機関自動車と同一骨格（プラットフォーム）であるサイドフレーム５０，５０の間に支持フレーム６０を取り付けるだけで構成できるため、低コストの燃料電池自動車を提供することができる。さらに、車両のデザイン自由度や使い勝手等を向上させることが可能になり、用途に合わせた車両の設計、開発を行うことができる。
加えて、車両前後方向に延びる左右のサイドフレーム５０，５０の後部領域を車幅方向に繋ぐ支持フレーム６０を備えているので、車両の捩り剛性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上述した部品以外の燃料電池システムの構成部品を、モータ室内に配置してもよい。また、燃料電池システムのすべての構成部品をモータ室内に配置する必要はなく、一部の構成部品を車両中央部のフロア下や車両後部に配置してもよい。

燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池自動車の前部フレーム構造の斜視図である。 燃料電池自動車の前部構造の側面図である。 燃料電池自動車の前部構造の平面図である。 図３のＡ−Ａ線における断面図である。

符号の説明

１…燃料電池 ３２…駆動モータ（電動機） ５０…サイドフレーム ６０…支持フレーム ６９…案内フレーム（案内手段） ７０…サブフレーム １０２…モータ室

Claims (2)

1. 燃料電池と前記燃料電池の発電電力によって駆動する電動機とを車両前部のモータ室内に搭載し、
   車両前後方向に延びる左右のサイドフレームの後部領域を車幅方向に繋ぎ、前記燃料電池を上側に支持する支持フレームを設け、
   前記支持フレームよりも下側に前記電動機を設けたことを特徴とする燃料電池自動車の前部構造。
2. 車両の前面衝突時には、前記電動機を前記支持フレームの後方下側に案内する案内手段を前記支持フレームに設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車の前部構造。

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